但也正由于所有物體都有紅外輻射，因此在探測時存在著巨大的背景噪聲，導(dǎo)致紅外探測器的探測率和響應(yīng)度下降，虛警率高。提高紅外探測器的探測率和響應(yīng)度，獲得高增益的紅外探測是該領(lǐng)域的研究熱點。
在之前的研究中人們已經(jīng)對碲鎘汞、氧化釩和非晶硅材料進行了廣泛的研究。近年來，由于零帶隙或者窄帶隙的二維材料也可應(yīng)用于紅外探測器，新原理新器件層出不窮。然而，目前基于這些新材料體系的紅外探測器仍需克服材料的大面積均勻性、提高器件的量子效率和增益等問題。
近日，美國西北大學量子器件中心的研究人員利用II類超晶格的能帶結(jié)構(gòu)易于調(diào)控的優(yōu)點，通過能帶結(jié)構(gòu)工程實現(xiàn)了高增益的異質(zhì)結(jié)晶體管(HPT)型長波紅外探測器。
圖1 紅外輻射藝術(shù)效果圖
該成果以 Band-structure-engineered high-gain LWIR photodetector based on a type-II superlattice 為題發(fā)表在Light: Science & Applications 。
文中采用的銻化物InAs/GaSb二類超晶格材料具有二型能帶結(jié)構(gòu)，電子有效質(zhì)量大，俄歇復(fù)合率低，波長調(diào)節(jié)范圍大(約3-30微米)，材料均勻性好，成本低，在中波及長波波段與碲鎘汞探測器性能相當，在甚長波波段則有較大優(yōu)勢。
研究者利用經(jīng)驗緊束縛近似法設(shè)計了npn型的長波紅外超晶格能帶結(jié)構(gòu)，如圖2(a)所示。由于InAs/GaSb II類超晶格的能帶可通過超晶格中每一層的厚度和超晶格周期進行調(diào)控，根據(jù)理論模擬結(jié)果通過分子束外延技術(shù)制備了如圖2(b)所示的超晶格結(jié)構(gòu)。
圖2 II類超晶格紅外探測器能帶結(jié)構(gòu)示意圖(a) 材料結(jié)構(gòu)示意圖(b)
在該結(jié)構(gòu)中，寬帶隙的n型InAs/GaSb/AlSb/GaSb 超晶格結(jié)構(gòu)作為發(fā)射極(圖2中標注為1, 2)，p型的InAs/GaSb超晶格結(jié)構(gòu)作為基極(圖2中標注為3)和窄帶隙的n型InAs/GaSb超晶格結(jié)構(gòu)作為集電極(圖2中標注為4和5)，形成npn(名詞解釋 >)結(jié)構(gòu)的晶體管。上述結(jié)構(gòu)經(jīng)過臺面腐蝕和電極制備等器件工藝后，獲得紅外探測器。
由于發(fā)射極采用了更寬帶隙的InAs/GaSb/AlSb/GaSb超晶格，在發(fā)射極和基極之間形成了高達330meV的價帶階，從而把空穴限制在基極層，同時調(diào)制了導(dǎo)帶的電子勢壘，使電子可以隧穿到收集極(如2圖中紅色箭頭所示)，當施加外加偏壓時，也提高了電子的漂移速度，進一步抑制了電子和空穴的復(fù)合幾率，從而實現(xiàn)高的光增益。
當基極電壓為220mV時，紅外探測器在6.8μm處獲得峰值響應(yīng)為1228A/W，如圖3所示。
圖3 紅外探測器的光譜響應(yīng)圖
研究結(jié)果還表明，與作者已報道的nBn型紅外探測器相比，該探測器的探測率提高了30倍，如圖4所示。隨著外加電壓增加到220mV，光增益值逐漸增加到276，而電壓繼續(xù)增加光增益值趨于飽和。
圖4 紅外探測器的探測率譜
上述利用能帶結(jié)構(gòu)調(diào)制的原理，設(shè)計并制備高增益的紅外探測器，為今后紅外探測器在快速響應(yīng)和焦平面成像等領(lǐng)域的設(shè)計和實踐提供了新思路。
作者：Joule(哈工大副教授)
